国内科学思维研究内容的综述与思考——以物理学科视角

于士博 于海波

（1.东北师范大学教育学部，吉林 长春 130024；2.长春吉大附中力旺实验学校，吉林 长春 130000；3.东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024）

国外对科学思维的研究起步较早，20世纪已经有国家意识到科学思维的重要性和地位.自教育部于2017年新颁布《普通高中物理课程标准》（下称《新课标》），给出“科学思维”的定义后，国内对科学思维的研究热度呈逐年上涨趋势.本文整理与分析了近20年来对科学思维的研究情况，对国内在科学思维的内涵、评价、观念建构、教学策略、教学模式等方面的研究进行梳理和总结，并提出相应展望，期望能给未来研究科学思维的学者们提供材料与帮助.

1 研究设计

1.1 数据来源

在“中国知网（CNKI）”数据库中，利用高级检索功能，以“科学思维”为主题进行检索，共有1.93万条结果.但由于科学思维的研究设计了多个领域及学科，再次添加“物理教学”主题精确搜索范围后，检索到2077篇文献.再根据“被引次数”进行排序，阅读文献内容，手动去除与研究主题无关的文献.最终选取了被引频次较高的65篇文献（包含硕士论文5篇，博士论文2篇）.

1.2 研究过程

利用中国知网（CNKI）搜索出相关文献后，详细地对引用频次最高的前10篇文章进行了预研究，通过分析确定研究框架；然后，对排名10-20名文献进行阅读，并进一步完善所建立的研究框架；最后对剩余的文献阅读、分析，完成综述及思考.

2 研究结果

2.1 文献数据及趋势

一般某主题内容的文章发表趋势与该主题内容受关注程度及研究程度成正相关，因此对主题内容发文趋势进行研究，可以从宏观了解该主题内容的研究动态变化.从图1可以看出，1986—2016年间，以“科学思维”为主题的研究文章数量较少，2017年国家颁布新的《普通高中物理课程标准》，给出“科学思维”的定义后，国内对科学思维的研究热度呈逐年上涨趋势.受新冠疫情影响，2020年与2019年文献数近乎持平，2021年持续增长.

图1 近年中国知网（CNKI）数据库中主题为“科学思维”+“物理教学”的文献数据

2.2 科学思维内涵的研究

科学思维的上层概念是思维，因此要想研究科学思维，首先要对思维进行梳理.

到底什么是科学思维呢？仿照思维的定义对其定义的话，科学思维就是大脑对于科学信息加工的过程，［1］但从不同维度看科学思维，对其认识可能也会不同，因此大部分学者对于科学思维内涵并没有统一且深入的共识.例如有学者认为，科学思维就是具有意识的人脑对自然界中事物（包括对象、过程、现象、事实等）的本质属性、内在规律及自然界中事物间的联系和相互关系的间接的、概括的和能动的反映.［2］

还有学者尝试从构成科学思维的元素分析其内涵.一种看法根据思维在解决问题中不同作用的发挥，将思维分为观念知识成分（表现为对世界的一般性看法或者形成的世界图景，涉及事物的结构、关系以及事物形成的原因和方式）和方法评价成分（一些基本的思想方法工具和用于评价理论的方法论准则.该准则指出了问题解决的最终结果应该满足什么样的条件，并告诉人们什么样的解决才是正确的、答案才是可信的.思维主体据此选择解题思路，具体地形成解题策略，并按照一定得程序应用操作.）这两类成分在内容方面的差异及其不同组合就会产生不同的思维方式.科学思维同样应当包括这两种成分.［3］也有学者提出“五元素”或“八元素”的说法.

2.3 科学思维分类、方法与特征

2.3.1 科学思维分类

我们在进行科学思维时，必须从不同的方面、不同的角度获得关于科学事物本质属性的外部表现的材料，并加工改造.根据思维材料的不同，可将科学思维分为科学抽象思维、科学形象思维、科学直觉思维3种.［4］也有学者将其细化如图2所示.

图2 科学思维分类归纳

2.3.2 科学思维方法

物理学有其自己独有的特征，一些学者尝试从物理学科理论特征与科学思维方法之间的关系体现科学思维方法.例如模型构建及概念规律的确立中渗透着诸多的思维活动，需要诸多科学思维方法的参与；科学推理和论证是物理概念发展、规律发现、理论确立的重要方法；物理学科理论建立过程的重要特征是运用科学推理和科学论证等思维活动与方法.［5］物理学科理论特征与科学思维方法之间的关系如图3所示.

图3 物理学科理论特征与科学思维方法之间的关系

部分文献对科学思维方法进行分类，不同学者也有各自见解.具体体现如表1所示.

表1 科学思维方法归纳

从文献中看，大部分学者对于科学思维方法的研究多数聚焦于模型构建、质疑创新两个要素.

2.3.3 科学思维特征

部分学者对于科学思维应该具备的特征给出了自己的见解.有学者认为科学思维方式具有4个主要特征：（1）科学思维是真理定向的思维，目的是发现真理、探索真理、追求真理.（2）科学思维是超越具体对象的“共相（普遍性、共性）”思维，以发现普遍的科学规律为目标.（3）科学思维具有对“具体时空”的“超越性”，不受思维对象的具体时间和具体空间的约束.（4）科学思维具有创新性.［6］也有学者认为科学思维从辩证角度看具有两个基本特征，一是精确性与近似性的统一，二是抽象性与形象性的统一.

3 科学思维评价的研究

3.1 科学思维层次和水平划分

新课标提出的物理核心素养将科学思维划分为5个水平.但真正的评价过程过难，原因是其划分较为抽象.有学者结合布鲁姆提出的教育目标分类理论，将科学思维的层次和水平进一步细化，给出更为详细的评价规则.如表2所示.［7］

表2 科学思维的层次和水平

3.2 科学思维测评

课标中对于科学思维评价建议以以下4种方式进行：课堂问答、书面评语、自我评价或互评、阶段测试.但实际上对于科学思维能力的评价一直是个难题，也是物理教育研究中的重要课题.对于测评的研究，更多的是高校学者在进行探索.其研究主要围绕测评内容、测评方法和测评标准.

测评内容的确定.通过文献看，科学思维的测评，逐渐从测评核心素养中的一个元素，发展到单独对其测评，逐步向科学思维中的某一元素单独测评进行发展.例如，刘童童对西安市某高中物理教学中科学思维素养进行了调查分析.［8］李莹莹和左成光对科学思维中的科学推理要素进行了研究.但是对于初中学生科学思维能力测评的研究很少.

测评方法的选择.通过对文献的梳理，关于测评方法主要还是以调查问卷（包含试卷）纸笔测试为主.其次就是课标中提到的课堂问答，访谈等.例如，米广春在《科学思维培养的实证研究——MBD教学模式的建构及其影响》中就采用了课堂观察和访谈法，任俊红也在其研究中运用了访谈法.［9-10］问卷一般参照课程标准及其他现有问卷进行开发.例如，张成香以《课标》对科学思维的学业水平划分为基础，借助Rasch模型设计物理科学思维测试量表；［11］韩葵葵基于科学论证能力结构模型和PISA科学素养测评试题的结构，编制了《中学生科学论证能力测验》，［12］除了调查问卷外，通过试卷进行测评也是可行的.《新课标》在评价中也对其有相应的描述.但是怎样的试卷才能考察出科学思维能力，而不仅仅是某些知识呢？大型考试的试卷是如何考察学生科学思维能力的呢？这些研究相对较少.

测评标准的制定.科学思维的测评并不是近几年才开始.在2017年之前，科学思维的测评标准主要依据科学思维的方法进行制定.［13］目前，我们所使用较多的评价标准是《新课标》中提出的学业水平划分.有些学者，也对国外的相应测评标准进行了研究，尝试将学业水平划分更加具体化.［14］也有一些学者根据自己的研究，创建了新的测评标准.［15］

3.3 中学生科学思维现状的测量分析

很多学者都曾编制过问卷或试卷对中学生科学思维现状进行了测量与分析.总体来看：科学思维达到了一定的水平层次，但是在部分要素的培养上存在缺失或者偏差.学者们也对其原因或培养中存在的问题进行剖析.杨燕燕认为，“单向度的”课堂，程序性和确定性太强，不易于科学思维的培养，应该向互动课堂转变.［16］王俊也指出知识性的课堂将“教学目标”变成了“知识目标”.［17］秦晓文也指出培养过程中面临的困难：其一，科学思维的培养需要长期专门训练；其二，科学思维是内隐的，较难诊断；其三，科学思维的生成，教师不能代替，只有在学生遇到问题时才能指引.［18］

4 科学思维构建的教学研究

4.1 科学思维建构的路径

库恩说，科学思维是科学的核心特点.［19］在物理教学中，科学思维有内隐性的重要特征，因此，关于科学思维的建构过程，必须找到其对应的显性材料，并经历显性材料的加工过程，将加工过程中所渗透的方式方法适时提升以逐步形成正确的科学思维.

在注重加工过程的教学基础上，许多学者研究并提出建构路径.例如一个完整的思维逻辑，应如图4所示.让学生经历这样的思维全过程，目的就是培养学生的科学思维素养，学会这种思维的方法.［20］有学者依据科学思维所体现的能力的内聚、源域、远域、近域等内容，提出一个在学科教学条件下的发展学生科学思维素质的三段四步模型（表3）.其中，规范程式的共同成分是指思维方法中内含的由思维学和逻辑.

图4 科学思维过程

表3 科学思维素质的三段四步模型

也有学者基于科学思维谈概念建构的基本方法，如图5所示.［21］部分学者认为物理模型到物理规律模式应该如图6所示，它是引导学生探究建立物理规律的学习模式，是上物理规律课的基本教学模式.［22］也有学者基于科学思维水平划分要，针对性的将建构模型分为“萌生建立—运用熟悉—分析理解—转换提高—抽象领悟”5个等级.［23］

图5 科学思维下概念建构的基本方法

图6 物理模型到物理规律模式

4.2 教材分析

有学者从教材的角度探讨了科学思维培养与教学的结合，对教材能否适应科学思维培养的新要求进行研究，对教材内容进行适应性分析，在研究中分析了物理教材的编写目的，便于教师对科学思维的教学寻求高效的教学策略.同时部分学者在研究中，也结合实际教学的需求，对教材的编写提出了自己的见解.例如物理教材在内容的选择上要体现出多样化的科学思维，教材呈现的学习方式应有助于学生进行科学思维活动.

4.3 教学方法与策略

在对搜集的文献阅读中发现，大多数学者对于“科学思维如何教”非常关注.超过2/3的文献主要针对物理学科核心素养的培养提出相应策略，但在其研究中也有涉及到科学思维的教学策略，主要以皮亚杰认知发展理论为依据展开.在教学活动中，无论是教者，还是学者，都应该清楚科学思维的培养，是物理教学活动中一个重要的教学目标.

4.3.1 概念、规律的教学策略

物理规律或概念的教学，本质就是思维加工升级的过程.也是培养学生科学思维的重要途径.学者针对其教学有以下讨论.

（1）分解再综合.研究复杂的物理现象、过程，首先应将其分解为几个简单的过程进行分析，再将不同过程进行综合，找出规律.从而达到透彻理解物理知识、掌握物理规律，并能提高应用知识去解决问题的能力.［24］

（2）思维可视化.学生在进行现象或者规律剥离本质中，将思路写下来，或者以思维导图、流程图或者趣味方程式等形式记录下来，既能梳理思维脉络，同时这个过程也是培养其科学思维的过程.

4.3.2 科学探究的教学策略

从物理学科特点出发，多数学者认为让学生经历实验探究过程可以促进学生科学思维的生成.研究较多的有以下几个方面.

（1）直观刺激.在物理实验中，教师尽可能地为学生展现生动直观的物理环境，吸引学生的注意力，激发学生求知欲.在求知欲的作用下，这种刺激会一直保持，在探究中也会将直接兴趣转换为间接兴趣.

（2）创设情境.猜想，是实验探究中关键的要素.教师让学生提出猜想之前，要创设合适的情境帮助学生回忆相关的生活体验和现象.如果学生不具有对应的经验，则必须通过实验、活动或者图片、视频等形式，向学生展示相关情境.［25］

（3）自主设计.一些学者认为在实验教学中，可以让学生自己设计实验方案，通过多种途径来验证物理规律，有助于科学思维的生成.

（4）经历探究过程.大部分学者认为，经历实验探究过程，有益于学生科学思维的培养.首先，演示实验“学生化”.演示实验有其重要的示范作用，其结果对于学生思维导向起重要作用，部分学生认为教师的演示实验具有“作假”的成分，因此学生的演示实验易于引起学生思考的开端；其次分组实验“小组化”.通过讨论，明确分工，明确器材使用等形式让每名学生都能参与到探究过程中，让学生不仅做，而且知道为什么这么做.

（5）实验结果“精细化”.实验结果分为定性结果与定量结果，对于定性结果，鼓励学生使用掌握的知识，通过观察、分析、分类归纳、化抽象为具体等方法，推理结果产生的原因.对于定量结果，引导学生通过论证的方式，对实验误差和异常数据进行符合理论的解释与数学分析.［26］

4.3.3 习题的教学策略

（1）少灌输，多提问.习题讲解中用问题代替结果，学生就会用思考代替获取.在问题的设置上不随意，环环相扣、层层递进，引领学生高阶思维的生成.

（2）浅度研发试题.可以通过对习题改编的方式，考察学生对于所涉及内容学习的程度，同时试题研发的过程也是思维编辑的过程，实现科学思维的落地.

4.3.4 其他教学方法

（1）引入物理学史.在物理教学活动中，学生通常对于突然出现的认知冲突感到茫然，此时，“类比架桥”策略能够显著帮助学生降低思维高度，构建最近发展区.而物理学史的内容就起到了一个很好的桥梁作用.例如许敏萱提出物理学史融入课堂的原则，并设计具体教案.［27］

（2）PBL、STEM教育.PBL模式的学习以问题为导向，注重学生思维发展.王惠，张金良，金年庆研究问题教学法运用的一般教学流程，并在此基础上以“生活中的圆周运动”一课为例，提出具有可操作性的教学策略；［28］吕磊在PBL导向下以“力的分解”的教学为例进行物理学科核心素养的课堂渗透；［29］邓芳以校外科学课STEM项目为载体，结合部分教学案例，初步探讨学生批判性思维的培养策略.［30］

5 思考

从文献来看，对于科学思维的研究热度逐步提升，但是通过对以往研究的整理笔者也有一下几点思考：（1）关于科学思维的研究大多数都针对高中学段，初中学段的学生根据皮亚杰认知发展理论正处于形式运算的发展阶段，正由感性思维向逻辑思维过度的阶段，但是对于其研究的学者较少；（2）大多数研究都以课程设计为基础，讨论科学思维的培养过程，对于科学思维理论支撑类的研究较为缺乏；（3）对于科学思维的定量研究，多数针对某一元素进行，例如科学推理能力等.对于科学思维的测评研究较少，目前适应于我国初中生科学思维测评的工具也较少，待于开发.